Механизмы экологической пластичности табака

На правах рукописи

Шпаков Александр Эдуардович

МЕХАНИЗМЫ

ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ ТАБАКА

Специальность 03.02.08 - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Махачкала - 2010

Работа выполнена в ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт табака, махорки и табачных изделий» Россельхозакадемии

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор

Асадулаев Загирбег Магомедович

доктор биологических наук, профессор

Иванов Александр Львович

доктор биологических наук, профессор

Глотов Николай Васильевич

Ведущая организация: ГНУ ВНИИМК Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 9 сентября 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 212.053.03 при ГОУ ВПО «Дагестанский государственный университет»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дагестанского государственного университета

Автореферат разослан «_____» августа 2010 г.

Ваш отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу:

367025, РФ, Республика Дагестан, г. Махачкала, ул.Дахадаева, 21

Электронный адрес: ecodag@rambler.ru, факс 8(8722)674651

Ученый секретарь

диссертационного совета Ахмедова Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Механизмы экологической пластичности природных и сортовых растительных популяций представляют собой один из важнейших предметов экологических исследований. Понятие «экологическая пластичность» связано с постановкой и решением таких фундаментальных биологических проблем, как взаимодействие «генотип - среда», реализация генетической информации в индивидуальном развитии, целостность организмов и популяций, идентификация ценных особей в исходном материале для селекции. Вскрытие механизмов экологической пластичности природных и сортовых растительных популяций, связанный с этой задачей анализ внутрипопуляционной структуры составляют методологические и методические основы эколого-генетического мониторинга, направленного на эффективное использование, сохранение и изучение растительных ресурсов.

Урожаи и качество табака, как и других агрокультур, зависят от соответствия природы растений условиям выращивания. Сорта табака при выращивании в разные годы и в разных экологических условиях претерпевают изменения по всем группам селекционно-ценных признаков. Так, например, обилие осадков во время роста табачного растения вызывает удлинение междоузлий, увеличение пластинки листа, иногда уменьшение числа листьев, снижение плотности и материальности ткани листа. Засушливая погода нередко способствует увеличению числа листьев с более плотной структурой.

Используемые методы оценки экологической пластичности можно разделить на три основные группы: основанные на дисперсионном анализе, на регрессионном анализе и на использовании сортовых стандартов.

Методы оценки экологической пластичности сортов недостаточно разработаны главным образом в теоретическом плане. Используется весьма узкий круг идей. Чаще всего усилия исследователей направлены на совершенствование статистической стороны метода, например, за счет повышения точности оценки среды. Теоретическая основа методов не содержит даже в неявном виде каких-либо знаний относительно природы оцениваемого свойства. Оценка экологической пластичности известными ранее методами с применением различных модификаций регрессионного и дисперсионного анализов оперирует изменениями средних значений хозяйственно важных признаков, которые являются лишь некоторым отражением реальных механизмов пластичности. Используемый нами системный подход позволил определить природу пластичности табака и перейти от оперирования косвенным отражением к анализу самой причины изучаемого явления.

Использование методологии системного подхода определено двумя существенными обстоятельствами. Во-первых, предметом исследований сортовых популяций являются не столько их отдельные признаки, сколько фенотип в целом. Способы решения задач по изучению, использованию и сохранению растительных ресурсов должны быть ориентированы на изучение признаков как элементов системы фенотипа. Система фенотипа объединяет в себе комплекс взаимосвязанных признаков, составляющие которого, безусловно, в разной мере детерминированы генетически и испытывают влияние внешней среды. Во-вторых, наиболее эффективные методы анализа внутрисортовой и межсортовой изменчивости комплекса селекционно-значимых признаков табака основаны именно на системном подходе. В этой связи следует отметить, что со времен классических работ Ю.А. Филипченко (1934) по генетике мягких пшениц известно - характер внутрипопуляционных корреляций отражает генетическую структуру сорта.

Актуальность диссертационной работы заключается в выявлении природы экологической пластичности табака. Вскрытие механизмов этого важнейшего признака позволило разработать методы оценки внутрисортового генотипического разнообразия табака по комплексу хозяйственно-ценных признаков и динамики генотипической структуры сортов в различных экологических условиях выращивания, сравнительной оценки сортов и линий табака по экологической пластичности.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является выявление механизмов экологической пластичности табака; сравнительная оценка экологической пластичности сортов и линий, учитывающая природу этого свойства и ориентированная на решение практических задач по изучению, сохранению и эффективному использованию внутрисортового разнообразия табака.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи:

- разработать эффективный метод выявления генотипической структуры сортовых популяций табака по основным конституционным признакам (фенологический тип, габитус, морфогенетические корреляции);

- установить различия среди выделенных элементов структуры сортовых популяций табака - морф по фенологическому типу, габитусу и по морфогенетическим корреляциям;

- выявить связи между характеристиками фенологического типа, габитуса и морфогенетическими корреляциями табака;

- установить генетическую обусловленность различий между морфами, выделяемыми в сортовых популяциях табака;

- определить эффективность системного анализа внутрисортовой генотипической изменчивости по конституционным признакам в сравнении с анализом внутрисортовой изменчивости по отдельным селекционно-ценным характеристикам растений;

- выявить различия среди внутрисортовых морф табака по их реакции на изменения условий выращивания, то есть по экологической пластичности;

- выявить механизмы экологической пластичности табака;

- определить понятие «экологическая пластичность» для табака с учётом выявленных механизмов этого свойства и направленного на эффективное изучение, сохранение и использование всего потенциала изменчивости вида Nicotiana tabacum L.;

- разработать метод сравнительной оценки экологической пластичности табака.

Научная новизна и теоретическая значимость. В результате проведённых исследований выявлено, что генотипическая гетерогенность по конституционным признакам, отражающим целостность организмов и популяций (фенологический тип, габитус, морфогенетические корреляции, экологическая пластичность) - универсальное свойство сортов вида Nicotiana tabacum L.

Установлена эффективность системного анализа фенотипической изменчивости, как метода, позволяющего вскрыть генотипическую структуру сортов табака без анализа по потомству.

Определена динамика формирования в ходе онтогенеза различий между составляющими сорта табака морфами, как генотипически различающимися группами растений по фенологическому типу и морфологическим признакам, характеризующим как размеры растений, так и их пропорции.

Установлено, что для выявления внутрисортовых морф и сравнения сортов табака по экологической пластичности достаточен учёт их морфологических признаков. Об этом свидетельствуют выявленные связи морфологических признаков с фенологическим типом и морфогенетическими корреляциями.

Установлено, что преобразование генотипической структуры сорта выражается в динамике частот, составляющих его морф. Морфы, составляющие сорт, как генотипически различные группы растений, различаются и по экологической пластичности.

Определено понятие «экологическая пластичность табака», как свойство сортов и линий, характеризуемое в сравнительной оценке изменчивости комплекса селекционно-ценных признаков в различных условиях выращивания, природой которого является динамика частот генотипически различных морф. Экологическая пластичность тем выше, чем меньше изменчивость комплекса его селекционно-ценных признаков в различных условиях выращивания по сравнению с другими сортами исследуемой выборки.

Впервые для вида N. tabacum L. , экспериментально установлены, описаны и количественно оценены механизмы экологической пластичности сортовых популяций:

- реакция отдельных генотипов на изменяющиеся условия внешней среды (гомеостаз развития);

- изменчивость генотипической структуры сорта в различных условиях выращивания (генетический гомеостаз).

Практическая значимость диссертационной работы. Впервые для табака разработан метод оценки внутрисортовой генотипической изменчивости сортовых популяций без анализа по потомству, и учёта динамики их генотипической структуры в экологически различных условиях выращивания. Методы основаны на системном подходе и использовании адекватных методик многомерного статистического анализа.

Разработан метод сравнительной оценки экологической пластичности сортов табака, включающий три основных этапа исследования изменчивости комплекса признаков:

- анализ генетически детерминированных различий по каждому из признаков в изучаемом селекционном материале;

- системный анализ внутрисортовой или внутрилинейной изменчивости по комплексу селекционно-ценных признаков;

- сравнительная оценка сортов и линий табака по экологической пластичности с использованием метода многомерного шкалирования.

Этот метод позволяет работать с селекционно-ценными признаками в любом их сочетании, в том числе и с отдельными характеристиками.

Разработанные в диссертационной работе методы, используются в лаборатории селекции и семеноводства ГНУ ВНИИТТИ Россельхозакадемии в целях эколого-генетического мониторинга имеющейся Мировой коллекции генофонда табака, сохранения генетического потенциала коллекции и для селекции новых сортов.

В результате проведённых полевых экспериментальных исследований изучено 52 сорта табака (13 сортотипов из 23-х, составляющих всё внутривидовое разнообразие N. tabacum L.) и 22 линии, полученные из различных сортов, как потомство индивидуальных растений. Изученные сорта и линии представляют собой перспективный исходный материал для селекции новых сортов табака с учётом их экологической пластичности.

Практическая значимость результатов диссертационной работы Шпакова А.Э. подтверждена его авторством нового сорта табака «Mediana», полученного в Союзной Республике Югославия, утверждённым решением Министерства сельского хозяйства, г. Белград от 14.05.2001 г., за №4/008-186/055.

Положения, выносимые на защиту. Экологическая пластичность табака определяется двумя механизмами - реакцией отдельных генотипов на изменяющиеся условия внешней среды (гомеостаз развития), и изменчивостью генотипической структуры сорта в различных условиях выращивания (генетический гомеостаз).

В эколого-генетических исследованиях интерес представляет, прежде всего, генетический гомеостаз, поскольку именно внутрисортовая генотипическая изменчивость сортовых популяций и её динамика в экологически различных условиях представляют собой основной предмет эколого-генетического мониторинга, направленного на эффективное использование, сохранение и изучение растительных ресурсов.

Эффективным методом, позволяющим выявить генотипическую структуру сортовых популяций табака без анализа по потомству и описать динамику этой структуры в экологически различных условиях выращивания, является системный анализ биологически обоснованных комплексов коррелированных селекционно-ценных признаков. Структуру сортовых популяций табака составляют морфы - генотипически различающиеся группы растений.

Экологическая пластичность табака есть свойство сортов и линий, характеризуемое в сравнительной оценке изменчивости комплексов селекционно-ценных признаков в различных условиях выращивания, природой которого является динамика частот генотипически различных морф. Пластичность сорта тем выше, чем меньше изменчивость комплекса его селекционно-значимых признаков в различных условиях выращивания по сравнению с другими сортами исследуемой выборки.

Апробация и публикация работы. Результаты исследований изложены в тематических отчетах лаборатории селекции и семеноводства ГНУ ВНИИТТИ Россельхозакадемии за 2001-2005 гг., и за 2001-2009 гг. Материалы диссертации представлены на международных и всероссийских конгрессах, конференциях, симпозиумах, совещаниях. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, в том числе в рекомендуемых ВАК и в рецензируемых центральных журналах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов. Работа изложена на 223 страницах. Список использованной литературы включает 182 наименований, из них - 34 иностранных авторов. Имеется 8 приложений.

Материал и методы исследований

Экспериментальная часть работы проведена в период с 1989 по 2008 гг. на полевых опытных участках ВНИИТТИ г. Краснодар (Россия), института «Магарач» г. Ялта (Крым), опытно селекционной станции по табаку в г. Лагодехи (Грузия), института сахарной свеклы в г. Алексинац (Югославия), опытно-селекционной станции в г. Бачко Петровац (Югославия). Полевые опыты проведены в традиционных для культуры табака регионах, различающихся между собой в эколого-географическом отношении.

В связи с основной целью исследования - выявлением механизмов и разработкой метода сравнительной количественной оценки сортовых популяций табака по экологической пластичности - подбор исходного материала ориентирован на возможно полное отражение разнообразия табака, представленного в имеющейся мировой коллекции. Исходная выборка составлена на основе изучения полного набора сортов коллекции. По признаку «число листьев» 4,5 тыс. сортов были разделены на 10 классов. К первому классу отнесены сорта с числом листьев 10-15, к десятому - превышающие 60. Из каждого класса пропорционально частоте встречаемости в коллекции выбрано от одного до шести сортов. «Число листьев» является одним из сортовых признаков табака, составляющих его продуктивность. Из опыта селекционной работы известно, что этот признак менее других признаков продуктивности подвержен условиям возделывания.

Исходную выборку составили:

1) Калицина

2) Енидже 159

3) Качариновский Старо-Енидже

4) Енидже 4

5) Perustitza

6) Киречилер

7) Унгушет

8) Сигарный 89

9) Манджурка американская

10) Многолистный 55

11) Havana Criollo

12) Хаджи Хусейн Дереш

13) Самсун 155

14) Самсун 117

15) Американ 8

16) Американ киргизский

17) Американ 23

18) Американ 146

19) Крымский степной

20) Американ 17

21) Американ 251

22) Американ 307

23) Американ 3

24) Американ 305

25) Американ 46

26) Burley J. Prayd

27) Sterling

28) Банат

29) Прилукский 148

30) Остролист октябрьский 6

31) Крупнолистный Б_3

32) Остролист 3

33) Остролист 450

34) Остролист 52

35) Остролист 75

36) Остролист 188

37) Остролист 250

38) Остролист раннеспелый

39) Скороспелый 107

40) Остролист иммунный 75

41) Подольский 23

42) Дюбек Никитский 580

43) Дюбек 84

44) Дюбек местный

45) Дюбек 33

46) Трапезонд 4_3

47) Трапезонд 213

48) Трапезонд 15

49) Тык_Кулак 210

50) Тык_Кулак 219

51) Venki Hercegovalc.

Кроме сортов нами исследован линейный материал, полученный как потомства индивидуальных растений из сорта Дюбек Никитский 580 и гибридной комбинации (Venki Hercegovaс  Басма)  Дюбек. Сорта, участвовавшие в гибридной комбинации, получены из Югославии.

Выбор признаков определен их селекционной значимостью, используемым нами системным подходом, ориентирован на точность и простоту учета в полевых условиях. Всего исследовано три группы конституционных признаков, характеризующих размеры, темп и тип развития табачных растений. Во-первых, это система фенологических признаков - фенологический тип, поскольку вегетационный период и сезонное развитие в целом тесно связано с комплексом хозяйственно ценных признаков табака: признаки качества, признаки устойчивости к болезням и вредителям, признаки продуктивности. Во-вторых, это система морфологических признаков - морфологический тип. Специфика табака как агрикультуры состоит в том, что такие морфологические признаки, как число листьев и их размерные характеристики являются компонентами продуктивности. Таким образом, практический интерес для табака представляет оценка пластичности морфологических характеристик. В-третьих, это морфометрические индексы - соотношения размерных характеристик табачного растения, отражающие рисунок морфогенетических корреляций. Морфогенетические корреляции представляют собой одну из трех категорий связей (геномные, морфогенетические, эргонтические), которые объединяют все части развивающегося организма в единое целое и выступают в роли основных факторов индивидуального развития. В целях количественной характеристики морфогенетических корреляций и выявления соответствующей индивидуальной изменчивости нами проведено сравнение морфогенетических корреляций у растений табака с различным фенологическим типом.

В соответствии с задачами работы комплекс «фенологических» включены признаки, отражающие качественные изменения в процессе развития табачного растения.

В список вошли шесть фенодат, учитываемых в числе дней от даты посадки:

1. «Начало бутонизации» фиксировали как начало появления на конусе нарастания первой цветочной почки.

2. «Бутонизация» фиксировали как появление бутона.

3. «Начало цветения» фиксировали как распускание первого одиночного центрального цветка.

4. «Цветение» фиксировали как полное распускание 3-5 цветков соцветия.

5. «Начало созревания коробочек» фиксировали как созревание первой коробочки центральной части соцветия.

6. «Полное созревание коробочек» фиксировали как созревание всех образовавшихся коробочек на соцветии.

Между фенодатами определено пятнадцать феноинтервалов:

1. Начало бутонизации - бутонизация;

2. Начало бутонизации - начало цветения;

3. Начало бутонизации - цветение;

4. Начало бутонизации - начало созревания коробочек;

5. Начало бутонизации - полное созревание коробочек;

6. Бутонизация - начало цветения;

7. Бутонизация - цветение;

8. Бутонизация - начало созревания коробочек;

9. Бутонизация - полное созревание коробочек;

10. Начало цветения - цветение;

11. Начало цветения - начало созревания коробочек;

12. Начало цветения - полное созревание коробочек;

13. Цветение - начало созревания коробочек;

14. Цветение - полное созревание коробочек;

15. Начало созревания коробочек - полное созревание коробочек.

Список морфологических признаков составили:

1. Высота растения с соцветием, см;

2. Высота растения без соцветия, см;

3. Число листьев, шт;

4. Длина листа среднего яруса, см;

5. Ширина листа среднего яруса, см;

6. Расстояние от основания листа до его максимальной ширины, см;

7. Диаметр растения в средней части, см.

С целью разработки методов выявления внутрисортовой изменчивости и ее динамики по комплексу морфологических характеристик в различных условиях среды нами использованы результаты многолетних исследований сорта Дюбек 33. Этот сорт характеризован расширенным списком из девяти признаков:

1. Высота растения, см;

2. Высота растения без соцветия, см;

3. Диаметр растения в средней части, см;

4. Диаметр соцветия, см;

5. Общее число листьев, шт;

6. Число технически пригодных листьев, шт;

7. Длина листа среднего яруса, см;

8. Ширина листа среднего яруса, см;

9. Ширина окрыления, см.

С целью выявления внутрисортовой изменчивости по морфогенетическим корреляциям, динамику сезонного развития растений измеряли по времени заранее выбранных этапов онтогенеза. Первой по времени фиксировали дату, когда 15-й по порядку закладки лист отдельного растения достигал размера 150  65 мм (фаза f1). Второй - когда тех же размеров достигал 16-й лист (фаза f2). В этих временных точках измеряли высоту растения (h1, h2), длину 14-го листа (L14, d1; L14, d2), ширину 14-го листа (W14, d1; W14, d2), длину 17-го листа (L17, d1; L17, d2) и ширину 17-го листа (W17, d1; W17, d2).

Следующими подлежали учету три фенодаты: «бутонизация» (f3), «начало цветения» (f4) и «начало созревания коробочек» (f5), которые устанавливались визуально и выражались в числе дней от высадки рассады. В момент прохождения этих фенодат, у отдельных растений измеряли их высоту (h3, h4, h5), длину 9-го листа (L9, d3; L9, d4; L9, d5), ширину 9-го листа (W9, d3; W9, d4; W9, d5), длину 10-го листа (L10, d3; L10, d4; L10, d5) и ширину 10-го листа (W10, d3; W10, d4; W10, d5).

Системный подход в исследовании пластичности табака реализован с использованием методов многомерного статистического анализа: метода главных компонент (МГК), дискриминантного анализа, анализа канонических корреляций, кластерного анализа, многомерного шкалирования.

В целях сравнения внутрисортовых или внутрилинейных кластеров по отдельным признакам или значениям их линейных комбинаций использован однофакторный дисперсионный анализ, позволивший соотнести уровень межкластерной и внутрикластерной дисперсии. Помимо этого, нами использован ряд стандартных биометрических методов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Внутрисортовая изменчивость табака

Необходимость специального анализа внутрисортовой изменчивости определена основной целью исследования - выявлением механизмов экологической пластичности табака. В случае если, генотипическая гетерогенность по основным группам конституционных признаков характерна для всех сортов табака - пластичность определяется двумя известными механизмами, называемыми «индивидуальной буферностью» и «буферностью популяций». Индивидуальная буферность представляет собой реакцию отдельных генотипов или групп особей одного генотипа на изменяющиеся условия среды (гомеостаз развития). Буферность популяций - изменение генотипического состава популяции в различных условиях выращивания (генотипический гомеостаз).

Раздел посвящен выявлению внутрисортовой изменчивости табака, оценке эффективности системного подхода в выявлении внутри сортов и линий генотипически различных групп растений по основным конституционным признакам. Эта цель предполагает решение трёх взаимосвязанных задач. Во-первых, разработки методов оценки внутрисортовой генотипической изменчивости таких конституционных признаков табака, как фенологический тип, морфогенетические корреляции, морфологический тип. Во-вторых, определения характера и степени распространенности явления внутрисортовой генотипической гетерогенности у Nicotiana tabacum L. В­третьих, сравнение системного анализа комплекса коррелированных признаков растений с анализом их отдельных характеристик в отношении их возможностей по выявлению структуры сортовых популяций табака. Решение этих задач определило содержание и последовательность изложения этапов исследования. На первом из них рассмотрен сам факт и описан характер внутрисортовой генотипической гетерогенности табака по фенологическому типу. На втором - по результатам анализа внутрилинейной изменчивости оценены связи между фенологическим типом, системой морфогенетических корреляций и морфологическим типом. На третьем этапе показана эффективность системного анализа фенотипической изменчивости как метода выявления генотипической гетерогенности сортов. Различия линий по конституционным признакам служат прямым доказательством генетической обусловленности изменчивости между морфами, выявляемыми в системном анализе внутрисортовой структуры табака.

Приступая к анализу полученных экспериментальных данных, надлежало, прежде всего, убедиться в наличии генетически детерминированных различий по каждому из фенологических признаков в изученной совокупности сортов.

Если каждый из сортов описан по некоторой выборке растений, то наиболее естественный путь выявления генотипической компоненты в изменчивости состоит в оценке уровня межсортовых различий на фоне внутрисортовых. Методически это решается в рамках однофакторного дисперсионного анализа (фактор - сорт).

Интерес представляет также оценка уровня изменчивости признаков в изученной совокупности сортов, поскольку норма реакции существенно характеризует генотип.

Самостоятельную задачу представляет исследование корреляционной структуры фенологических признаков. Именно здесь, в нашей работе и определились основные принципы классификации сортов по фенологическому типу.

Достоверность различий средних оценена в однофакторном дисперсионном анализе (фактор-сорт). Источники внутрисортовой изменчивости фенологических признаков изучены в специальном дисперсионном анализе, где исследована структура изменчивости коэффициентов вариации. В качестве факторов выступали: А - признак, В - сорт. Результаты двухфакторного дисперсионного анализа представлены в табл. 1. Эффект взаимодействия факторов в бесповторных комплексах оценивался по Тьюки.

где: а - число градаций по фактору А;

в - число градаций по фактору В;

- среднее по строке;

- среднее по колонке;

- среднее по комплексу.

Статистически достоверные эффекты на уровень изменчивости фенологических признаков в пределах сорта оказывают оба фактора и их взаимодействие.

Таблица 1

Дисперсионный анализ изменчивости коэффициентов вариации фенологических признаков в совокупности сортов табака

Индекс фактора	SS	dF	mS	F	у2	Доля влияния, %
У	88437,7	609			5896,9	100
А	48652,5	20	2432,6	84,5*	82,9	1,4
В	17855,7	28	637,7	22,1*	29	0,5
АВ	5785,0	1	5785,0	200,9*	5756,2	97,6
С	16144,5	560	28,8		28,8	0,5

Примечание: У - общая; А - между признаками; В - между сортами; С - остаточная

По всем признакам между сортами установлены достоверные различия. Доля влияния фактора «сорт» изменяется от признака к признаку в пределах от 0.1 для феноинтервала «бутонизация - полное созревание коробочек» до 0.98 - феноинтервала «начало цветения - начало созревания коробочек».

Наиболее важный результат дисперсионного анализа состоит в установлении неаддитивности эффектов факторов «признак» и «сорт». Доля влияния по взаимодействию составляет 97.6% от общей дисперсии внутрисортовых коэффициентов вариации. С этих позиций ясно, что конкретный генотип не может быть полно характеризован по уровню изменчивости (равно как и по численному значению) любого отдельного фенологического признака. Только данные о сопряжённой изменчивости комплекса признаков могут составить основу его идентификации.

Для выявления внутрисортовой генотипической изменчивости по фенологическому типу растений необходим метод, способный дифференцировать различные генотипы или их группы на основе анализа фенотипической изменчивости. Для решения этой задачи использован системный подход к исследованию фенотипической изменчивости, предполагающий изучение комплексов коррелированных признаков адекватными методами многомерного статистического анализа. Заведомо различными в генетическом отношении группами растений являются сорта табака. Сравнение различных сортов табака по фенологическому типу выполнило роль «обучающей» процедуры.

Фенологический тип 29 сортов описан комплексом из 21-го фенологического признака, включающего 6 фенодат и 15 феноинтервалов. Признаки объединены в комплекс на основе построения их линейных комбинаций, а именно главных компонент. При анализе данных по сортам, каждый из которых характеризован в среднем по 24 растениям, выяснилось, что уже первые две главные компоненты учитывают в совокупности около 98% полной дисперсии комплекса признаков. Для оценки межсортовых различий оставалось сравнить сортовые средние значения двух главных компонент в дисперсионном анализе (табл. 2).

Таблица 2

Дисперсионный анализ значений главных компонент, объединяющих фенологические признаки сортов табака

Изменчивость	df	MS	F	Дисперсия	Доля в общей дисперсии, %
Й главная компонента
Общая	681	-	-	146	100,0
Межсортовая	28	2116	36,5*	88	60,2
Внутрисортовая	653	58	-	58	398
ЙЙ главная компонента
Общая	681	-	-	73	100,0
Межсортовая	28	1174	48,9*	49	67,1
Внутрисортовая	653	24	-	24	32,9

В структуре изменчивости значений обеих главных компонент очевидно доминирует межсортовая дисперсия: 60,2% и 67,1% соответственно. Анализ завершен сравнением сортовых средних значений главных компонент с использованием множественного t-критерия. В итоге, изученные 29 сортов разделены на 5 групп со статистически достоверными различиями по значениям I главной компоненты. По значениям ЙЙ главной компоненты выявлено также 5 различных групп. Учет значений обеих главных компонент, то есть группировка сортов в их пространстве, привел к выявлению девяти кластеров:

1. Енидже 159; Качариновский; Старо-Енидже; Менджурка; Американская.

2. Енидже 4; Хаджи Хусейн Дереш; Американ 8; Американ Киргизский.

3. Американ 23; Дюбек Никитский 580.

4. Тык-Кулак 210; Тык-Кулак 249.

5. Perustiza; Банат.

6. Киречилер; Sterling.

7. Сигарный; Остролист октябрьский 6.

8. Многолистный 55; Американ 146; Дюбек 84; Трапезонд 4-3.

9. Унгушет; Местный.

Сорта Калицина; Самсун; 155; Havana Criollo и Прилукский 148 в состав кластеров не вошли.

Результаты исследования межсортовой изменчивости свидетельствуют, что идентификация растений с генетически обусловленными различиями по фенологическому типу предполагает следующие этапы работы:

- учет комплекса фенодат и феноинтервалов;

- объединение фенологических признаков в линейные комбинации - главные компоненты;

- вычисление значений главных компонент для каждого из изученных объектов (сортов, линий или индивидуальных растений);

- исследование распределения (ординации) объектов в пространстве главных компонент, значения которых выполняют роль координат объектов, с последующей кластеризацией на основе оценки расстояний между соответствующими точками.

Изложенный подход реализован в анализе внутрисортовой изменчивости пяти сортов табака из основных возделываемых в России сортотипов: Американ 23, Трапезонд 15, Дюбек (4113), Самсун 117, Крымский Степной. В каждом сорте описано от 80 до 120 растений по комплексу из четырех фенологических признаков: «бутонизация», «начало цветения», «начало созревание коробочек», «полное созревание коробочек».

Во всех случаях уже первые две главные компоненты учли в совокупности более 90% полной дисперсии комплекса признаков.

Это позволило представить результаты кластеризации растений в пределах сорта на плоскости I и II главных компонент. Сорта различаются по числу выделенных кластеров: от 3-х (Крымский Степной) до 5-ти (Трапезонд 15) (рис. 1 и 2).



Рис. 1. Кластерная структура выборки растений сорта Крымский Степной, выявленная в анализе комплекса фенологических признаков

Рис. 2. Кластерная структура выборки растений сорта Трапезонд 15, выявленная в анализе комплекса фенологических признаков

Связь фенологического типа с морфологическими признаками исследована на перспективной линии (L2), полученной от скрещивания (Venki Heragovac Ч Басма) Ч Дюбек.

Задача исследования морфогенетических корреляций определила специфику подбора признаков для описания фенологического типа растений.

Анализ данных выполнен в три этапа. На первом из них проведена кластеризация 70 учтенных растений линии по фенологическому типу. На втором - выделенные по фенологическому типу кластеры сопоставлены между собой по отдельным морфологическим признакам. На третьем - кластеры сопоставлены по морфологическим индексам.

В основу кластерного анализа положен учет пяти фенодат: 1 - время достижения 15-м листом стандартного размера, 2 - время достижения 16-м листом стандартного размера; 3 - бутонизация, 4 - начало цветения, 5-начало созревания коробочек (ниже в тексте этого раздела нумерация фенодат сохраняется). Эти фенологические признаки объединены в интегральную характеристику фенологического типа - значения главных компонент.

Сходство растений оценено по евклидовым расстояниям в пространстве главных компонент. На основе матрицы парных евклидовых расстояний методом Уорда получена иерархическая структура - дендрит, разрезание которого на предварительно выбранном уровне сходства привело к выделению трех кластеров растений. Свойственная этим кластерам динамика прохождения фенофаз отражена на рис. 3.

Растения второго кластера быстрее проходят две первые фенофазы, относящиеся к вегетативному периоду развития, затем замедляются в генеративном периоде, пропуская вперед растения из кластера 3.

Детальному анализу морфологических различий между растениями из фенологически различных кластеров предшествовала проверка самого факта их существования. Самый простой подход заключался в сравнении трех выделенных кластеров по отдельным морфологическим характеристикам на последовательных фазах развития растений с использованием модели однофакторного дисперсионного анализа (табл. 3-4). В каждой из пяти фенофаз растение описано по пяти различным морфологическим признакам. Список морфологических признаков, измеренных в 1-й и во 2-й фенофазах, отличается от такового в 3-й, 4-й и 5-й фенофазах. Это отличие обусловлено особенностями развития табачных растений и самой методикой измерений.

Рис. 3. Динамика прохождения фенофаз растениями табака

Примечание: абсцисса - порядковый номер фенофазы (1 - время достижения 15-м листом стандартного размера; 2 - время достижения 16-м листом стандартного размера; 3 - бутонизация; 4 - начало цветения; 5 - начало созревания коробочек). Ордината - число дней после высадки рассады. 1, 2, 3 - внутрисортовые кластеры растений.

Таблица 3

Структура изменчивости морфологических признаков, измеренных в 1-й и 2-й фенофазах («время достижения 15-м листом стандартного размера»; «время достижения стандартного размера 16-м листом»)

Признаки	Доля дисперсии, % от общей
	Первая фенофаза	Вторая фенофаза
Высота растения	20,5	12,0
Длина 14-го листа	0,0	0,0
Ширина 14-го листа	0,0	0,0
Длина 17-го листа	18,4	10,0
Ширина 17-го листа	17,0	12,4

Таблица 4

Структура изменчивости морфологических признаков, измеренных в третьей, четвертой и пятой фенофазах

Признаки	Доля дисперсии, % от общей
	Бутонизация	Начало цветения	Начало созревания коробочек
Высота растения	15,4	15,6	12,4
Длина 9-го листа	0,0	0,0	8,3
Ширина 9-го листа	14,0	0,0	8,4
Длина 10-го листа	9,5	7,4	11,0
Ширина 10-го листа	11,6	7,4	10,5

Простая в методическом отношении проверка, выполненная в дисперсионном анализе, привела, однако, к трем важным заключениям:

- морфологические отличия растений из разных фенологических кластеров имеют место;

- эти различия формируются постепенно в онтогенезе растений;

- различия в большей степени затрагивают не линейные размеры органов, а их пропорции.

Из двадцати пяти дисперсионных анализов положительным результатом, то есть установлением достоверных межкластерных различий, завершилось восемнадцать. Есть случаи, когда при разной средней длине листа различия по его ширине отсутствуют. Если межкластерные различия установлены по линейным размерам только одного из листьев, то это всегда более поздно сформировавшийся лист. К окончанию вегетации, в пятой из фенофаз, достоверные различия между кластерами установлены по всем учтенным признакам.

Понятие «морфогенетические корреляции» означает взаимозависимость во внутренних факторах онтогенетического развития. Морфогенетические корреляции, безусловно, определяются генетически и проявляются в зависимости от различных морфогенетических процессов. Особый интерес к морфогенетическим корреляциям со стороны теории селекции объясняется тем, что крупные этапные селекционные достижения, как правило, состоят в коренном преобразовании системы соотносительного развития элементов фенотипа. Наиболее простой метод оценки сравнения морфогенетических корреляций основан на вычислении индексов, то есть соотношений значений двух или более признаков.

На основе комплекса учтенных морфологических признаков нами вычислена серия индексов, отражающих соотношения высоты растения, числа листьев и их относительных размеров. Всего изучена изменчивость 24 индексов.

Статистически достоверные межкластерные различия установлены по 13 индексам. На долю дисперсии «между кластерами» пришлось при этом от 0,3% до 16,9% общей дисперсии. Этот результат свидетельствует о различии морфогенетических корреляций у растений из различных фенологических кластеров. Связь фенологического типа и системы морфогенетических корреляций оценена с помощью анализа канонических корреляций. В анализ вовлечены 5 фенодат из 13 индексов, для которых установлены достоверные межкластерные различия. Число получаемых канонических корреляций равно числу признаков в меньшем множестве: в нашем случае - 5 (табл. 5).

Таблица 5

Характеристики внутрисортовых канонических корреляций комплексов фенологических и морфологических признаков

Каноническая ось	Корреляция	хІ	df	Вероятность нуль-гипотезы
1	0,807	136,8	65	0,00
2	0,693	73,7	48	0,010
3	0,518	34,8	33	0,383
4	0,449	16,2	20	0,706
5	0,214	2,8	9	0,072

Примечание: нуль-гипотеза состоит в предположении об отсутствии связи между комплексами признаков; она отвергается, если вероятность ниже 0,05.

Из таблицы видно, что две первые канонические оси исчерпали связь фенологического типа и морфологических индексов. Высокие коэффициенты корреляций (0,807; 0,693) свидетельствуют о сильной связи между характеристиками этих двух категорий.

В результате анализа связей комплексов фенологических, морфологических признаков и морфологических индексов установлено, что в исследованной линии есть, по крайне мере, три группы растений, различающихся темпом прохождения фенологических фаз. Фенологически различные группы растений обнаруживают и морфологические различия: по высоте растений, числу и размерам листьев. Эти различия формируются в соответствующие фазы развития растений. Морфологические различия между группами проявляются наиболее отчетливо при вычислении морфологических индексов - соотношений размеров растения и его органов. Это обстоятельство отражает связь типа сезонного развития с рисунком морфогенетических корреляций.

Принципы анализа генетической структуры сортов растений - самоопылителей определены еще в классической работе В. Иоганнсена (1935), и заключаются в получении и сравнительном изучении «чистых линий» как потомств от индивидуальных растений. Этот метод обладает высокой разрешающей способностью и полностью соответствует генетическому аспекту проблемы. Задачи селекции различных агрикультур, в том числе и табака, ориентированы, прежде всего, на преобразование не отдельных признаков, а всей системы фенотипа. Системный анализ изменчивости в последнее время все шире используется в генетической теории селекции, и можно ожидать, что соединение его с классическим методом «чистых линий» существенно расширит возможности изучения генетической структуры сортов.

Структура изменчивости отдельных морфологических признаков табака изучена на материале двух групп линий. Первая группа из 9-ти линий получена как потомства от индивидуальных растений линии №108 от гибридной комбинации (Venki Hercegovaс Ч Басма) Ч Дюбек. Вторая группа из 13-ти линий получена из сорта старой селекции Дюбек Никитский 580. В каждой линии описано около 15 растений по 6-ти морфологическим признакам. Структура изменчивости отдельных морфологических признаков оценена в однофакторном дисперсионном анализе (фактор - принадлежность к линии) (табл. 6).

Данные, относящиеся к линиям №108, в целом свидетельствуют о низкой разрешающей способности анализа единичных признаков. По признаку «длина листа» различить линии не удалось. Сходная картина наблюдается и при группировке линий сорта Дюбек Никитский 580.

В целом, с учетом результатов сравнения линейных средних, исследование структуры изменчивости единичных признаков свидетельствует о его невысокой информативности в раскрытии генотипической гетерогенности сортов табака. По значениям отдельных морфологических признаков удается, как правило, различать лишь немногие линии.

Таблица 6

Структура изменчивости морфологических признаков линий табака различного происхождения

Признаки	Доля дисперсии, % от общей
	Линии № 108	Линии Дюбек Н.580
Высота растения	15,4	2,4
Высота растения без соцветия	20,1	1,6
Число листьев	7,5	1,6
Длина листа среднего яруса	0,0	1,6
Ширина листа среднего яруса	11,1	7,9
Расстояние от основания листа до его максимальной ширины	3,7	2,9

Интегральная характеристика морфологического типа растений получена как линейная комбинация признаков - дискриминантная функция. Это позволило минимизировать внутрилинейную дисперсию комплекса признаков и на этом фоне точно оценить различия между линиями. В эффективности подхода убеждают данные табл. 7, свидетельствующие о хорошем разделении линий.

Из таблицы видно, что хорошая дифференциация линий обеспечивается уже первым двумя дискриминантными функциями, которые учитывают в совокупности 81,9% исходной дисперсии у линий №108 и 63% - у линий сорта Дюбек Никитский 580.

Таблица 7

Дискриминантный анализ изменчивости комплекса морфологических признаков, дифференцирующий линии

Линии	Дискриминантная функция	Учтенная дисперсия %	ч 2	df	Вероятность нуль-гипотезы
№108	1	60,9	120,8	48	0,00
	2	21,0	53,6	35	0,023
	3	10,6	25,9	24	0,375
Дюбек Никитский 580	1	35,7	124,6	72	0,00
	2	27,3	81,4	55	0,012
	3	16,8	47,7	40	0,189

С целью оценить качество разделения линий и перспективу их группировки по интегральной характеристике морфологического типа растений, выполнен дисперсионный анализ значений I и II дискриминантных функций, завершенный ранговым тестом. Результаты дисперсионного анализа представлены в табл. 8.

Таблица 8

Дисперсионный анализ изменчивости значений I и II дискриминантных функций

Сорт	Дискр. функция	Изменчивость	df	mS	F	Дисперсия	Доля от общей дисперсии, %
108	Первая	Между линиями	8	10,96	10,16*	0,70	41,20
		Остаточная	116	1,00	-	1,00	58,80
	Вторая	Между линиями	8	3,81	3,81*	0,20	16,70
		Остаточная	116	1,00	-	1,00	83,30
Дюбек Н. 580	Первая	Между линиями	12	3,70	3,71*	0,14	12,30
		Остаточная	235	1,10	-	1,10	87,70
	Вторая	Между линиями	12	2,89	2,89*	0,10	9,00
		Остаточная	235	1,00	-	1,00	91,00

Наиболее важным результатом дисперсионного анализа значений дискриминантных функций является очевидное увеличение вклада дисперсии «между линиями» по сравнению с вкладами единичных признаков. Так, например, наибольшее значение вклада межлинейной дисперсии в общую по линиям №108 установлено для признака «высота растения без соцветия» и составило 20,1%, что вдвое ниже, чем для значения интегральной характеристики. Такое же соотношение вкладов установлено и при анализе данных по сорту Дюбек Никитский 580. Ортогональность пространства дискриминантных функций позволила оценить сходство линий по евклидову расстоянию между их центрами. Матрица парных евклидовых расстояний и послужила основой для кластеризации линий по критерию сходства средних значений комплекса признаков.

В обоих случаях выделено по три кластера линий. Состав кластеров для №108: (1,3,4),(2,5,7),(6,8,9). Для линий сорта Дюбек Никитский 580: (1,7,3,5), (17,21,23), (9,13,19,15,25,11). Качество полученного кластерного решения и, одновременно, достоинства интегральной характеристики морфотипа оценивались на этапе сравнения кластеров.

Особенно показательны результаты рангового теста (табл. 9).

Таблица 9

Ранговый тест на достоверность различий кластерных средних значений интегральной характеристики морфотипа

Группа линий	Номер кластеров	Среднее	Ранговый тест
№ 108	1	0,735	х
	2	0,244	х
	3	1,114	х
Дюбек Никитский 580	3	0,312	х
	2	0,043	х
	1	0,604	х

Из таблицы видно, что статистически достоверно различаются все выделенные кластеры.

Таким образом, в результате сравнения анализа внутрисортовой изменчивости отдельных морфологических признаков и интегральной характеристики растений табака установлено, что исследование изменчивости отдельных морфологических признаков табака не обеспечивает выявления генотипической гетерогенности его сортов даже в сочетании с обладающим высокой разрешающей способностью методом разложения сорта на линии. Вклад межлинейной изменчивости в общую дисперсию признака не превышает 20% от общей, а для ряда признаков - близок к нулю. Напротив, конструкция линейных комбинаций признаков, минимизирующих внутрилинейную изменчивость - дискриминантные функции, существенно увеличивает разрешающую способность анализа фенотипической изменчивости как основы выявления генотипической гетерогенности сорта. Вклад межлинейных различий в общую дисперсию значений дискриминантных функций возрастает до 40%. Кластерный анализ на основе измерения евклидовых расстояний между центрами линий в пространстве дискриминантных функций объединяет линии в группы, достоверно различающиеся между собой по значениям интегральной характеристики фенотипа. Различие линий, полученных из одного сорта по комплексу коррелированных признаков, служит прямым доказательством генетической обусловленности различий между группами растений, выделяемыми в системном анализе внутрисортовой изменчивости.

В целом по результатам исследования внутрисортовой изменчивости табака можно сделать следующее заключение. Табак обладает значительной внутрисортовой генотипической изменчивостью по ряду основных конституциональных признаков, в том числе по ряду хозяйственно ценных характеристик. Наиболее эффективным методом выявления внутрисортовой генотипической изменчивости табака является системный подход, реализованный с использованием адекватных методов многомерного статистического анализа.

Установленная связь морфологических признаков табака с фенологическим типом и морфологическими корреляциями свидетельствует о достаточности учета этих признаков для анализа внутрисортовой генотипической изменчивости сортов и дальнейшего сравнения по экологической пластичности.

2. Механизмы экологической пластичности табака

В контексте нашей работы решение проблемы о природе пластичности табака означает анализ динамики внутрисортовой генотипической изменчивости сортов в различных условиях выращивания. Анализ проведен в три этапа. На первом - установлено, что преобразование генотипической структуры сорта является источником изменчивости комплекса его морфологических признаков при выращивании в различных условиях среды. Показано, что преобразование генотипической структуры выражается в динамике частот морф.

На втором этапе проведено сравнение линий, полученных из сорта Дюбек Никитский 580 по величине смещения комплекса из шести морфологических признаков в связи с изменением условий выращивания. Десять линий изучено в два различных года, 9 других - в двух различных географических зонах. Тот факт, что линии достоверно различаются между собой по величине смещения комплекса признаков, означает, что различные морфы, составляющие сорт, различаются по экологической пластичности как генетически различные группы растений.

На третьем этапе динамика частот внутрисортовых морф иллюстрирована на различных сортах, испытанных в трех различных географических зонах.

Динамика внутрисортовой изменчивости табака в различных условиях выращивания исследована на материале сорта Дюбек 33, выращиваемого последовательно четыре года (1989-1992). Каждый год высаживали от 6 до 8 делянок этого сорта, на каждой из которых описаны 10 растений по 9 морфологическим признакам.

Прежде всего, нами установлено, что сорт Дюбек 33 действительно изменяется по каждому из признаков в зависимости от года выращивания. Вклад дисперсии «между популяциями» варьировал от признака к признаку в широких пределах - от 0,4% до 78%.

Результаты однофакторного дисперсионного анализа (фактор «год») изменчивости отдельных признаков оказались однотипными в том смысле, что для каждого из них установлен статистически достоверный эффект года посадки. Таким образом, подобранный экспериментальный материал вполне соответствовал задачам нашего исследования.

Кластеризация растений в каждой из четырех «годичных» популяций сорта Дюбек 33 по комплексу из 9 морфологических признаков проведена методом Уорда (рис. 4).

Во всех «годичных» популяциях выделено по 6 кластеров.

Следующим этапом анализа внутрисортовой изменчивости стала попытка идентифицировать гомологичные генотипические варианты в популяциях различного года выращивания. С этой целью проведен кластерный анализ всех морф, выделенных в сорте Дюбек 33 за все 4 года исследования. Морфы характеризованы средними значениями главных компонент (рис. 5).

Поскольку в пределах каждой из 4 годичных популяций было выделено по 6 морф, то для их идентификации мы разделили полученное иерархическое древо на 6 кластеров (50% уровень) (табл. 10).

Проведенный кластерный анализ позволил сопоставить эффекты влияния генетических факторов на структуру сортовой популяции с эффектами года. Если условия года абсолютно доминируют над генетическими источниками внутрисортовой изменчивости, то все морфы, выделенные в составе какой-либо годичной популяции, должны объединиться в одну группу (группа Е). Четыре из шести выделенных групп (А-D) объединяют морфы как одной годичной популяции, так и гомологичные морфы из различных годичных популяций. Группа F составлена морфами трех годичных популяций.

В совокупности результаты кластерного анализа позволили нам составить таблицу 11, где генотипическая структура годичных популяций представлена в виде частот генотипических классов.

Полученные данные не оставляют сомнений в преобразовании генотипической структуры сорта в связи с изменением условий выращивания. Фенотипически это выражается в изменении частот различных морф растений в годичных популяциях.



Рис. 4. Кластерный анализ годичной популяции Дюбек 33 1989 года посадки



Рис 5. Кластерный анализ групп, выделенных внутригодичных популяций сорта

Примечание: группы (1-6) принадлежат популяциям 1989 г., (7-12) - 1990 г., (13-18) - 1991 г., (19-24) - 1992 г.